EP3080819B1 - Glimmschutzsystem, insbesondere aussenglimmschutzsystem für eine elektrische maschine - Google Patents

Glimmschutzsystem, insbesondere aussenglimmschutzsystem für eine elektrische maschine Download PDF

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EP3080819B1 EP15708461.7A EP15708461A EP3080819B1 EP 3080819 B1 EP3080819 B1 EP 3080819B1 EP 15708461 A EP15708461 A EP 15708461A EP 3080819 B1 EP3080819 B1 EP 3080819B1
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Definitions

  • the invention relates to the use of a glow protection system for an electrical machine, for example a high-voltage machine, such as a generator for generating electrical energy, an electric motor, but also other electrical equipment with a higher rated voltage such as transformers, feedthroughs, cables, etc.
  • a high-voltage machine such as a generator for generating electrical energy, an electric motor, but also other electrical equipment with a higher rated voltage such as transformers, feedthroughs, cables, etc.
  • a high-performance generator such as a turbo-generator, in particular has a stator (stator) with a stator core and a plurality of generator grooves in which the generator winding is located.
  • the main insulation of this winding against the laminated core is an electrically highly stressed system.
  • high voltages occur, which must be dissipated in the insulating volume between the conductor bar located at high voltage and the plate set lying at ground potential.
  • At the edges of the sheets in the laminated core thereby field overshoots, which in turn cause partial discharges. These partial discharges lead locally to very strong heating when hitting the insulation system.
  • the organic materials of the insulation system including those of the external corona protection system are successively decomposed into low molecular weight, volatile products, for example in CO 2 .
  • AGS external corona protection
  • the external corona protection must have a certain square resistance, which lies in a certain range. If it is too low, the laminated cores can be electrically short-circuited, which can lead to high induced circulating currents, which open up over the ends of the laminated core and the réelleglimmtik and lead to high-current arcing. Excessive resistance can again lead to high voltage spark erosion.
  • the resistance in the external corona protection system would be adjustable so that an anisotropy could be produced which shows increased conductivity in the radial direction, ie from the current-carrying conductor to the laminated core, and an increased resistance, ie low conductivity, in the bar direction.
  • the object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art, to provide a stable corona protection system.
  • the subject of the present invention is the use of a corona protection system as part of a Main insulation of an electrical machine comprising planar, partially discharge-resistant and electrically conductive particles as a filler in a polymeric matrix for forming current paths, characterized in that the filler additionally comprises spherical, partially discharge-resistant and electrically conductive particles, which ensures electrical conductivity in the transverse direction to the current paths of the planar particles.
  • the particles comprise a partial discharge resistant core and a partial discharge resistant coating which is conductive.
  • partial discharge resistant refers to materials which - for example - are resistant to oxidation in the event of partial discharges in air or which otherwise remain stable during partial discharges, such as ceramics and / or glasses.
  • the polymeric matrix is for example a thermoplastic, thermoset and / or an elastomer.
  • the partial discharge-resistant core is made of a ceramic or vitreous material, which preferably has a low density and is preferably mica, quartz flour, alumina or glass flakes.
  • the particle coating material will be a metal oxide selected from the group consisting of tin oxide, zinc oxide, zinc stannate, titanium dioxide, lead oxide or non-oxide silicon carbide.
  • the doping element is preferably selected from the group: antimony, indium, cadmium.
  • the particle mass concentration of the particles in the carrier matrix is selected such that the corona shielding material is above the percolation threshold. It is preferred here that the particle mass concentration of the particles is more than 15% by weight. From this particular particle mass concentration in the carrier matrix, the composite material is above the percolation threshold and the surface resistance of the corona shielding material barely changes with increasing particle mass concentration. As a result, the corona protection material is hardly subject to fluctuations in the surface resistance, which is thus well reproducible.
  • a particular aspect of the invention is the mixture of spherical and planar filler particles. From the DE 10 2010 009 462.5 It is known that planar flake-like particles are used to produce the external corona shielding, which by their orientation during the production process and their conductive coating create conductive paths along which the conductivity is high and the resistance is low. The disadvantage of this is that the conductivity perpendicular to it, ie in the radial direction, where the platelet-shaped particles have only a very small extent, is quite low. As mentioned above, however, the conductivity would be desirable just in this radial direction.
  • the particles are used in micro size, for example, the platelets have a width and length in the micrometer range, that is for example in the range of 1 to 300 microns, in particular from 1 to 100 microns and more preferably from 1 to 40 microns, whereas their diameter in the thickness direction in the nanometer range is between 50 and 1000 nm, in particular in the range of 100 nm to 1000 nm.
  • the spherical particles have, for example, a diameter in Range of 0.5 to 50 .mu.m, in particular from 1 to 10 .mu.m.
  • the invention relates to a glow protection system for an electrical machine, such as a high voltage machine, such as a generator for generating electrical energy, an electric motor but also other electrical equipment with a higher rated voltage such as transformers, feedthroughs, cables, etc.
  • the Corona protection system is characterized by a filler mixture in which both planar and spherical particles occur.
  • the electrical conductivity which is good in the presence of only planar particles in two spatial directions, in the third but very bad, targeted anisotropically adjustable.

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Description

  • Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Glimmschutzsystems für eine elektrische Maschine, beispielsweise eine Hochspannungsmaschine, wie einem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie, einem elektrischen Motor, aber auch andere elektrische Betriebsmittel mit einer höheren Bemessungsspannung wie Trafos, Durchführungen, Kabel etc.
  • Es werden immer leistungsstärkere Maschinen, wie beispielsweise Generatoren, entwickelt, da die fortschreitende Technik immer höhere Leistungsdichten verlangt. Ein leistungsstarker Generator, wie beispielsweise ein Turbogenerator, weist insbesondere einen Ständer (Stator) mit einem Ständerblechpaket und einer Mehrzahl an Generatornuten, in denen sich die Generatorwicklung befindet.
  • Die Hauptisolierung dieser Wicklung gegen das Blechpaket ist ein elektrisch hoch beanspruchtes System. Im Betrieb entstehen hohe Spannungen, welche in dem Isoliervolumen zwischen dem auf Hochspannung befindlichen Leiterstab und dem auf Erdpotential liegendem Blechpaket abgebaut werden müssen. An den Kanten der Bleche im Blechpaket entstehen dabei Feldüberhöhungen, die ihrerseits Teilentladungen hervorrufen. Diese Teilentladungen führen bei Auftreffen auf das Isolationssystem lokal zu sehr starken Erhitzungen. Dabei werden die organischen Materialien des Isoliersystems inklusive die des Außenglimmschutzsystems sukzessive in niedermolekulare, volatile Produkte, beispielsweise in CO2, zersetzt.
  • Ein wichtiger Bestandteil des Isolationssystems ist der so genannte Außenglimmschutz (AGS). Er wird bei größeren Generatoren und Elektromotoren direkt auf die Oberfläche der Wicklungsisolation appliziert. Der AGS besteht aktuell aus Ruß und Graphit-haltigen Bändern oder Lacken.
  • Da systembedingt vor allem die Grenzfläche zwischen AGS und Hauptisolation nicht vollständig porenfrei hergestellt werden kann, kommt es bei entsprechend hohen elektrischen Feldstärken im Isolationssystem zu einer entsprechend hohen elektrischen Teilentladungsaktivität, die den Außenglimmschutz im Betrieb im Laufe der Zeit komplett verbrennt und somit zu einer vorzeitigen Alterung der Isolierung und im schlimmsten Fall zu einem Erdschluss der elektrischen Maschine führt. Das entspricht einem irreparablen Komplettausfall der Maschine.
  • Der Außenglimmschutz muss einen gewissen Quadratwiderstand aufweisen, welcher in einem bestimmten Bereich liegt. Ist er zu gering, können die Blechpakete elektrisch kurzgeschlossen werden, was zu hohen induzierten Kreisströmen führen kann, welche sich über die Enden des Blechpakets und dem Außenglimmschutz erschließen und zu stromstarken Lichtbögen führen. Bei zu hohem Widerstand kann es wiederum zu Hochspannungsfunkenerosion kommen. Idealerweise wäre der Widerstand im Außenglimmschutzsystem einstellbar, so dass eine Anisotropie herstellbar wäre, die erhöhte Leitfähigkeit in radialer Richtung, also vom stromführenden Leiter zum Blechpaket hin, und ein erhöhter Widerstand, also geringe Leitfähigkeit, in Stabrichtung zeigt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, ein stabiles Glimmschutzsystem zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.
  • Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines Glimmschutzsystems als Teil einer Hauptisolierung einer elektrischen Maschine, planare, teilentladungsresistente und elektrisch leitfähige Partikel als Füllstoff in einer polymeren Matrix zur Ausbildung von Strompfaden umfassend,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Füllstoff zusätzlich sphärische, teilentladungsresistente und elektrisch leitfähige Partikel umfasst, durch die elektrische Leitfähigkeit in Querrichtung zu den Strompfaden der planaren Partikel gewährleistet ist.
  • Bevorzugt umfassen die Partikel einen teilentladungsresistenten Kern und einer teilentladungsresistenten Beschichtung, die leitfähig ist.
  • Der Begriff "teilentladungsresistent" bezieht sich dabei auf Materialien, die - beispielsweise - bei Teilentladungen an Luft gegen Oxidation resistent sind oder die ansonsten bei Teilentladungen stabil bleiben, wie Keramiken und/oder Gläser.
  • Die polymere Matrix ist beispielsweise ein Thermoplast, Duromer und/oder ein Elastomer.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist der teilentladungsresistente Kern aus einem keramischen oder glasartigen Material, was vorzugsweise eine geringe Dichte aufweist und vorzugsweise Glimmer, Quarzmehl, Aluminiumoxid oder Glasplättchen ist.
  • Bei einer planaren Struktur der Partikel wird eine verbesserte Kontaktierung der leitfähigen Partikel untereinander erreicht. Bevorzugtermaßen wird das, die Partikel beschichtende, Material ein Metalloxid sein und aus der Gruppe Zinnoxid, Zinkoxid, Zinkstannat, Titandioxid, Bleioxid oder nichtoxidisch Siliziumcarbid umfassend, ausgewählt. Das Dotierungselement wird bevorzugt aus der Gruppe: Antimon, Indium, Cadmium ausgewählt.
  • Ferner ist es bevorzugt, dass die Partikelmassenkonzentration der Partikel in der Trägermatrix derart gewählt wird, dass das Glimmschutzmaterial oberhalb der Perkulationsschwelle ist. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Partikelmassenkonzentration der Partikel bei mehr als 15 Gew% liegt. Ab dieser bestimmten Partikelmassenkonzentration in der Trägermatrix befindet sich der Verbundwerkstoff oberhalb der Perkulationsschwelle und der Oberflächenwiderstand des Glimmschutzmaterials ändert sich kaum mit steigender Partikelmassenkonzentration. Dadurch unterliegt das Glimmschutzmaterial kaum Schwankungen im Oberflächenwiderstand, der dadurch gut reproduzierbar ist.
  • Ein besonderer Aspekt der Erfindung ist die Mischung von sphärischen und planaren Füllstoff-Partikeln. Aus der DE 10 2010 009 462.5 ist bekannt, dass zur Herstellung des Außenglimmschutzes planare plättchenförmige Partikel eingesetzt werden, die durch ihre Ausrichtung während des Herstellungsprozesses und deren leitfähige Beschichtung Leitfähigkeitspfade schaffen, entlang derer die Leitfähigkeit hoch und der Widerstand gering ist. Nachteilig daran ist, dass die Leitfähigkeit senkrecht dazu, also in radialer Richtung, wo die plättchenförmigen Partikel nur eine sehr geringe Ausdehnung haben, ziemlich gering ist. Wie oben erwähnt, wäre jedoch die Leitfähigkeit gerade in dieser radialen Richtung erwünscht.
  • Allgemeine Erkenntnis der vorliegenden Erfindung ist, dass zu den hervorragenden Eigenschaften des Glimmschutzes mit beschichteten planaren Partikeln, wie beispielsweise aus der DE 10 2010 009 462.5 bekannt, durch Zugabe von sphärischen Partikeln gezielt eine Leitfähigkeit in Querrichtung zu den Plättchen einstellbar ist.
  • Bevorzugt werden die Partikel in Mikrogröße eingesetzt, beispielsweise haben die Plättchen eine Breite und Länge im Mikrometerbereich, also beispielsweise im Bereich von 1 bis 300 µm, insbesondere von 1 bis 100 µm und insbesondere bevorzugt von 1 bis 40 µm, wohingegen ihr Durchmesser in Dickenrichtung im Nanometerbereich also zwischen 50 und 1000 nm liegt, insbesondere im Bereich von 100nm bis 1000 nm. Die sphärischen Partikel haben beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 50µm, insbesondere von 1 bis 10µm.
  • Durch Zugabe von globularen, also sphärischen Füllstoffen zu planaren oder stäbchenförmigen Füllstoffen verschieben sich die Perkolationsschwellen der drei Raumrichtungen zu deutlich niedrigeren Füllstoffkonzentrationen. Dadurch und durch die Tatsache, dass globulare Füllstoffe eine geringere spezifische Oberfläche besitzen als planare Partikel, wird die absolute Fläche an Grenzflächen im Verbundwerkstoff deutlich reduziert, wobei das System dennoch überperkulär vorliegt. Dadurch ist es nun erstmals möglich, dass solche Glimmbänder unter Temperatureintrag aufschmelzen und im Falle einer sich überlappenden Wicklung sehr gut miteinander verschmelzen und kaum ein Kontaktwiderstand durch die Überlappung entsteht. Gleichzeitig ist und bleibt dieses System sehr reproduzierbar, da auch so der elektrische Widerstand überperkulär eingestellt werden kann.
  • Beispielsweise liegen die planaren Partikel im Verhältnis zu den sphärischen Partikeln ungefähr wie 3:1 vor.
    • Durch die Zugabe von globularen Füllstoffen zu planaren Füllstoffen wird die elektrische Leitfähigkeit senkrecht zu den gerichteten Füllstoffplättchen deutlich erhöht, da sich die Kügelchen zwischen den Plättchen einlagern. Dadurch kann der anisotrope elektrische Widerstand der Glimmschicht in gewissen Bereichen angepasst werden.
    • Wenn die globularen Partikel ebenfalls aus einem dotierten Metalloxid hergestellt werden, sind sie, wie die bereits aus der früheren Anmeldung DE 10 2010 009 462.5 bekannten planaren Partikel, ebenfalls resistent gegenüber Teilentladungen. Dadurch wird die Lebensdauer der elektrischen Maschine deutlich erhöht, bzw. kann mit einer höheren Leistung betrieben werden.
    • Die generelle Leitfähigkeit von solchen globularen Füllstoffen kann durch die Dotierung des Metalloxides eingestellt werden (analog zu den planaren Füllstoffen).
  • Beide Füllstoffe besitzen bevorzugt ein leichtes Trägersubstrat.
    • Die planaren Partikel Glimmer, die globularen Partikel Quarzmehl. Dadurch wird sichergestellt, dass die so hergestellten Füllstoffe eine relativ geringe Dichte besitzen und sich so während der Verarbeitung nicht absetzen, denn die funktionale Beschichtung auf den erwähnten Substraten besteht aus dotierten Metalloxiden, z.B. Antimon dotiertes Zinnoxid, was eine Dichte von 6,9 g/cm3 besitzt. Die fertigen Füllstoffe, mit dem jeweiligen leichten Substrat besitzen resultierend nur eine Dichte von - beispielsweise - 3,5 g/cm3.
    • Die planare Geometrie, sowie die Ausrichtung des Füllstoffes im Glimmschutz senkrecht zur Feldbelastung verlängert deutlich den Erosionsweg durch den Glimmschutz im Vergleich zu einem Glimmschutz, der nur aus globularen Füllstoffen besteht. Deshalb ist die Menge der den plättchenförmigen Partikeln zugesetzten sphärischen Partikel in dem Spannungsfeld auszuwählen zwischen der Erhöhung des Erosionsweges durch möglichst vollständige plättchenförmige Partikel und Einstellung einer anisotropen Leitfähigkeit durch globulare Partikel.
  • Die Erfindung betrifft ein Glimmschutzsystem für eine elektrische Maschine, beispielsweise eine Hochspannungsmaschine, wie einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie, einem elektrischen Motor aber auch andere elektrische Betriebsmittel mit einer höheren Bemessungsspannung wie Trafos, Durchführungen, Kabel etc. Das Glimmschutzsystem zeichnet sich durch eine Füllstoff-Mischung aus, in der sowohl planare als auch sphärische Partikel vorkommen. Damit ist die elektrische Leitfähigkeit, die bei Vorliegen von nur planaren Partikeln in zwei Raumrichtungen gut, in die Dritte aber sehr schlecht ist, gezielt anisotrop einstellbar.

Claims (15)

  1. Verwendung eines Glimmschutzsystems als Teil einer Hauptisolierung einer elektrischen Maschine, planare, teilentladungsresistente und elektrisch leitfähige Partikel als Füllstoff in einer polymeren Matrix zur Ausbildung von Strompfaden umfassend,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Füllstoff zusätzlich sphärische, teilentladungsresistente und elektrisch leitfähige Partikel umfasst, durch die elektrische Leitfähigkeit in Querrichtung zu den Strompfaden der planaren Partikel gewährleistet ist.
  2. Verwendung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Partikelmassenkonzentration in der Matrix des Glimmschutzsystems oberhalb der Perkolationsschwelle liegt.
  3. Verwendung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Partikelmassenkonzentration in der Matrix des Glimmschutzsystems bei mehr als 15 Gew% liegt.
  4. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ausmaße der planaren teilentladungsresistenten und elektrisch leitfähigen Partikel eine Breite und Länge im Mikrometerbereich mit eine Dicke im Nanometerbereich kombiniert aufweisen.
  5. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die planaren teilentladungsresistenten und elektrisch leitfähigen Partikel eine Breite und Länge im Bereich von 1µm bis 300 µm aufweisen.
  6. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die planaren teilentladungsresistenten und elektrisch leitfähigen Partikel eine Dicke im Bereich zwischen 50nm und 1000 nm aufweisen.
  7. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die sphärischen Partikel einen Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 50 µm haben.
  8. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Glimmschutzsystem stäbchenförmige Partikel umfasst.
  9. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die polymere Matrix aus einem Duromer, einem Thermoplast und/oder einem Elastomer herstellbar ist.
  10. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Partikel einen teilentladungsresistenten Kern mit einer teilentladungsresistenten, elektrisch leitfähigen Beschichtung umfassen.
  11. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Glimmschutzsystem Partikel umfasst, deren teilentladungsresistenter Kern aus einem Material ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Glimmer, Quarzmehl, Aluminiumoxid oder Glasplättchen.
  12. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Glimmschutzsystem Partikel mit metalloxidischer Beschichtung umfasst.
  13. Verwendung nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Metalloxid dotiert vorliegt.
  14. Verwendung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die sphärischen Partikel und die planaren Partikel des Füllstoffs ungefähr im Verhältnis 1:3 vorliegen.
  15. Elektrische Maschine, eine Hauptisolierung mit einem Glimmschutzsystem, das durch eine Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 erhältlich ist, umfassend.
EP15708461.7A 2014-02-28 2015-02-25 Glimmschutzsystem, insbesondere aussenglimmschutzsystem für eine elektrische maschine Active EP3080819B1 (de)

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US (1) US10506748B2 (de)
EP (1) EP3080819B1 (de)
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DE (1) DE102014203740A1 (de)
ES (1) ES2765449T3 (de)
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WO (1) WO2015128367A1 (de)

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